一種新型交互電視遙控器軟硬件設計研究

薛冬營，楊 云，張大元

（空軍工程大學 導彈學院，陜西 三原 713800）

0 引言

交互電視是數(shù)字電視的一種應用，從純粹意義上講是指用戶和電視機屏幕進行交互。電視為觀眾提供某些控制和選擇，觀眾則根據(jù)個人的好惡選擇自己喜歡的畫面、聲音。例如，觀眾可以通過電子節(jié)目單選擇其感興趣的節(jié)目，瀏覽當前播放節(jié)目的相關信息，或者在某一特定頻道上顯示當天所計劃播出的全部內(nèi)容[1]。然而，傳統(tǒng)電視遙控器復雜度高，一直以來依靠“上、下、左、右”進行焦點平移的操作，公共焦點控制鍵每按動一次，焦點只限于按照水平或垂直2個方向逐格平移，不能在整個電視屏幕范圍內(nèi)隨意移動，受眾不能實現(xiàn)所見即所得的互動模式，嚴重制約了電視機屏幕內(nèi)容的表現(xiàn)能力，很大程度上制約了數(shù)字電視互動內(nèi)容的發(fā)展[2]。

為了適應人們對交互性的需求，各種新型電視遙控器應運而生。文獻[2]介紹了一款新型數(shù)字家庭空間定位電視遙控器，它通過用戶手握遙控器在空間的運動直接控制電視屏幕中的光標，并用精簡的按鍵實現(xiàn)豐富的互動內(nèi)容，實現(xiàn)“一鍵式操控模式”。該遙控器在一定程度上解決了交互的問題，但需要用戶握住遙控器的手不停地在空間移動，這顯然不符合人性化設計的要求。當前觸摸技術已經(jīng)廣泛應用于各種需要交互的產(chǎn)品中，比如手機、掌上計算機、ATM柜員機以及各種查詢終端等，其良好的交互性為實現(xiàn)電視遙控交互提供了一種途徑。

筆者結合傳統(tǒng)電視遙控技術和觸摸屏技術，設計了一款觸摸式電視遙控器，用戶只需用手指在觸摸屏上輕輕點擊就能夠輕松實現(xiàn)對電視機的控制和對屏幕的操作，從而使用戶可以很方便地同電視機屏幕進行交互，真正做到了人機交互的人性化。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成模塊及功能

觸摸式電視遙控器的系統(tǒng)組成如圖1所示，包括電源模塊、觸摸顯示模塊、控制模塊和通信模塊。

電源模塊是遙控器正常工作的能源基礎，本設計采用鋰離子電池，并配有備用電池。遙控器自帶充電插頭，當鋰離子電池電量過低時，啟動備用電池，同時低電指示燈被點亮，提示用戶及時充電。備用電池電量不足時，則會在閑置狀態(tài)下通過鋰離子電池進行充電。

觸摸顯示模塊包括觸摸屏和顯示屏。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成，觸模檢測部件安裝在LCD顯示器屏幕前面，用于檢測用戶的觸摸，接收后送至觸摸屏控制器。而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給微處理器[3]。顯示器上除了各種圖形按鍵外，還有一塊特殊區(qū)域，它的顯示與電視機屏幕相同。當正常觀看節(jié)目時，它只顯示節(jié)目信息，而在進行設置或選擇等操作時，則會與電視機屏幕顯示相同的畫面，用戶可以通過觸摸點擊方便地進行設置或選擇。

控制模塊的核心是嵌入式微處理器，其功能是對整個系統(tǒng)進行管理和控制，另外還要存儲系統(tǒng)程序，處理異常中斷等。以其對觸摸顯示模塊的控制為例，它不但要控制顯示器的顯示和更新，還要處理觸摸屏的輸入信息。當觸摸屏上有信號輸入時，控制模塊對其進行編碼后傳向發(fā)射器；而當電視屏幕信息發(fā)生變化時，遙控器接收新的屏幕信息并由控制模塊解碼后，用來完成顯示器的實時更新。

通信模塊主要進行信號和數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，遙控器中的收發(fā)單元發(fā)送控制信號、接收數(shù)據(jù)信息，而主機中的收發(fā)單元則是接收控制信號、發(fā)送數(shù)據(jù)信息?？刂菩盘柺怯脩舻妮斎胄畔⒔?jīng)控制模塊處理后產(chǎn)生的，用于控制電視機的行為和屏幕的顯示，數(shù)據(jù)信息主要是與電視機屏幕顯示有關的信息和一些電視節(jié)目的頻道信息等。

1.2 系統(tǒng)硬件設計

觸摸式電視遙控器硬件框圖如圖2所示，各模塊所選硬件介紹如下。

圖2 觸摸式交互電視遙控器硬件框圖

首先是觸摸屏的選擇，本系統(tǒng)采用五線電阻式觸摸屏。該種觸摸屏結構簡單，工作環(huán)境與外界完全隔離，不怕灰塵、水汽和油污，可以用任何物體來觸摸。與四線式相比，五線式觸摸屏具有更高的可靠性、耐用性和精度。觸摸屏控制器采用專門用于五線式電阻屏的ADS7845，它是一款具有12位取樣模數(shù)轉換、低導通電阻模擬開關的同步串行接口芯片。在125 kHz轉換速率和2.7 V電壓下的功耗為750 μW，而在關閉模式下的功耗僅為0.5 μW。因此，ADS7845以其低功耗高速率的特性，被廣泛應用在小型手持設備觸摸屏上。ADS7845采用SSOP-16引腳封裝形式，溫度范圍是-40～+85℃[4]。

電源模塊采用單節(jié)鋰離子電池和備用紐扣鋰電池為系統(tǒng)供電，此處涉及到電源管理和充電管理，需要有專門的芯片來完成。充電管理采用凌特公司的LTC4065芯片，如圖3所示，LTC4065是一款用于單節(jié)鋰離子電池的完整恒定電流/恒定電壓線性充電管理芯片，可提供高達750 mA且準確度為5%的可設置的充電電流，并支持直接使用USB端口對單節(jié)鋰離子電池進行充電。電源管理則采用LTC3407-2芯片，如圖4所示，它是一款雙輸出、高效率、2.25 MHz恒定頻率、同步降壓型轉換器電源芯片。輸入電壓范圍為2.5～5.5 V，能夠產(chǎn)生2個0.6～5 V的獨立輸出電壓，能夠從2個不同的通道提供高達800 mA的持續(xù)輸出電流，非常適合應用于單節(jié)鋰離子電池的管理。

控制模塊的核心芯片采用三星公司S3C44BOX微處理器，它是三星公司專為手持設備和一般應用提供的高性價比和高性能的微控制器解決方案，它使用ARM7TDMI核，工作在66 MHz。為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，這款芯片內(nèi)還集成了下列部件：8 kbyte存儲，外部存儲器控制器，LCD控制器，4個DMA通道，2通道UART，1個I2C總線控制器，1個I2S總線控制器，以及5通道PWM定時器和1個內(nèi)部定時器，71個通用I/O口，8個外部中斷源，實時時鐘，8通道12位ADC等。

圖5所示為信號發(fā)送單元使用的紅外發(fā)射電路[5]，主要包括紅外發(fā)射管和與門74LS08。信號經(jīng)過放大后由紅外發(fā)射二極管發(fā)送，與紅外發(fā)射二極管并聯(lián)的發(fā)光二極管在有發(fā)碼時點亮，起到指示作用。

圖5 紅外發(fā)射電路

1.3 系統(tǒng)軟件設計

觸摸式電視遙控器軟件結構如圖6所示，其開發(fā)平臺自底向上依次為：U-Boot（Universial Boot Loader），Linux，MiniGUI和應用程序。U-Boot的開發(fā)目標是支持盡可能多的嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。系統(tǒng)加電或復位后，首先運行U-Boot，U-Boot從Flash中將Linux內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)讀入系統(tǒng)內(nèi)存中，然后跳轉到內(nèi)存中的Linux內(nèi)核入口，將控制權交給Linux。MiniGUI是我國自主開發(fā)的一個面向基于Linux的嵌入式圖形用戶界面系統(tǒng)，它采用微客戶端/服務器模式來提供對多進程的支持，集成了多字體和多字符集。MiniGUI采用分層設計的層次結構，通過修改最底層的GAL（圖形抽象層）和IAL（輸入抽象層）移植到遙控器平臺上。

圖6 系統(tǒng)軟件體系結構

本系統(tǒng)軟件設計遵循模塊化設計思想，系統(tǒng)功能由系統(tǒng)總控程序調用各子程序模塊實現(xiàn)。系統(tǒng)程序主要包括系統(tǒng)主程序和系統(tǒng)初始化程序。主程序又包括電源管理子程序、顯示子程序、觸摸屏控制子程序、指令編碼子程序、收發(fā)子程序以及中斷處理子程序，初始化程序則要完成顯示器、通信接口、電源模塊等的初始化過程。

2 關鍵技術

2.1 觸摸屏技術

觸摸屏技術（Touch Screen Technology）是隨著計算機技術的發(fā)展，為了滿足非專業(yè)計算機用戶操作計算機的需要而逐漸成熟與發(fā)展起來的[6]。觸摸式電視遙控器利用該技術實現(xiàn)手指的位置跟蹤，不但定位精確，而且操作方便。

觸摸屏本質上是傳感技術，根據(jù)傳感器的類型，可將觸摸屏分為4類：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線式觸摸屏和表面聲波觸摸屏。它們的性能比較如表1所示。

表1 觸摸屏性能比較

從以上比較可以看出，電阻式觸摸屏具有適合小屏幕的獨特優(yōu)勢和較高的靈敏性和經(jīng)濟性，最適合應用于觸摸式電視遙控器。

2.2 無線通信技術

紅外無線通信具有低功耗、低價格、低電磁干擾、高保密性等優(yōu)點，在無線通信中得到了廣泛的應用[7]。雖然其有效傳輸距離較短，但對于電視遙控器來說已經(jīng)足夠用了。因此，觸摸式電視遙控器采用該技術向電視傳輸信號，實現(xiàn)無線通信。

其他常用的無線通信技術主要有27 MHz技術、2.4 GHz無線技術和藍牙技術等。然而它們都不適合用于遙控器，原因在于：27 MHz技術無線安全級別較低；2.4 GHz無線技術不同產(chǎn)品的接收端和發(fā)送端之間不能通用；而藍牙技術的成本太高。

2.3 遙控技術

紅外遙控技術是紅外技術、紅外通信技術和遙控技術的結合，其工作原理如下：遙控信號編碼發(fā)送器用以產(chǎn)生遙控編碼脈沖，經(jīng)過載波調制，驅動紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號，紅外接收器完成對遙控信號的放大、檢波、整形，并調制出遙控編碼脈沖。遙控編碼脈沖是一組組連續(xù)的串行二進制碼。對于一般的遙控系統(tǒng)，此串行碼作為微控制器的遙控輸入信號，由其內(nèi)部CPU完成解碼[8]。

紅外遙控是目前家用電器中用得較多的遙控方式，適合應用于觸摸式電視遙控器。紅外遙控的特點是不影響周邊環(huán)境、不干擾其他電器設備。由于其無法穿透墻壁，所以各個房間的家用電器使用通用的遙控器而不會產(chǎn)生相互干擾。另外，它還可以進行多路遙控[9]。

3 小結

數(shù)字電視是電視發(fā)展的必然趨勢，而隨著技術的進步，大屏幕、高清晰、多功能、互動性的交互電視將成為數(shù)字電視的主導方向。因此，設計研究適用于交互電視的遙控器勢在必行，意義重大。

本文所設計的觸摸式電視遙控器主要特點在于將電視機屏幕信息移植到遙控器上，并能夠進行觸摸式操作，實現(xiàn)了遠程觸摸式控制。而且遙控器和電視機之間不再是單方向的控制，而是會相互影響。設計比較人性化，操作也比較簡單，基本上能夠滿足現(xiàn)階段的需要。但是隨著人們的需求越來越多，交互電視的功能也將越來越多，人機交互操作也會更加復雜。因此，還需要設計功能更強、操作更方便和更加人性化的遙控設備，這也將是筆者下階段努力的方向。

[1]徐濟仁，陳家松.交互電視技術與發(fā)展[J].中國有線電視，2002（1）：12-14.

[2]周敏儀.數(shù)字家庭空間定位電視遙控技術的研究[J].電視技術，2009，33（10）：41-43.

[3]嚴盈富.觸摸屏與PLC入門[M].北京：人民郵電出版社，2006：1-6.

[4]于樂淼.基于FS7803的五線觸摸屏控制器的設計與實現(xiàn)[J].軟件導刊，2008（12）：68-69.

[5]林鈴，于德海.自學習紅外遙控器的設計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術，2008，3（6）：1257-1259.

[6]張恩宜，張愛紅.觸摸屏技術的發(fā)展與應用[J].山東師大學報：自然科學版，2002，17（1）：93-94.

[7]徐荃，彭金花.紅外無線通信技術研究[J].中國高新技術企業(yè)，2008（23）：136.

[8]張克芳，吳世龍.基于EM78P468單片機的紅外遙控器的編程與開發(fā)[J].紅外技術，2004，26（3）：49-52.

[9]吳媛媛，葉茂森.紅外遙控技術淺析[J].廣西輕工業(yè)，2009（1）：72-73.